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摘要：在中庭等室内大空间设计时，借助自然通风来实现对空调能耗的降低是一种常用的节能手段。本文通过计算流体力学（CFD）模拟技术，对沈阳市某典型商场中庭空间的自然通风进行了分析，评估了在过渡季典型工况下，中庭的自然通风效果以及各人员活动区域的温度和风速分布情况，从而为建筑是和暖通空调设计人员在设计时提供理论参考。
关键词：CFD模拟；自然通风；中庭
1．前言
从功能来看，商场内功能多样、人员流动性强，工作周末以及典型日的高峰与低谷期人流量差异大。在商场建筑的空间设计中，中庭的设置越来越普遍，其丰富了内部的功能空间，充分利用自然光源，也成为汇集人流的亮点[1]。同时，由于商场中庭的物理特性，中庭空间常出现竖直温差大，能耗水平高等弊端。在我国北方地区，在夏季和过渡季利用高大空间的烟囱效应，通过自然通风的方式改善室内空气品质、减少空气调节系统运行能耗是一个常见的方式。不少研究者对中庭的自然通风效果进行研究表明：充分开启中庭外侧，可使室内温度明显下降，使中庭内具有较好的热环境和令人满意的速度场[2-4]。因此，本文以一个典型的商场的中庭空间为例，采用CFD动态模拟手段，来预测在过渡季时中庭的风速场和温度场，校核自然通风为建筑热环境优化带来的效果。CFD（Computational Fluid Dynamics）即计算流体动力学，是基于质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等流动基本方程对流体进行模拟分析的科学。在工程中，CFD可用于室内外流体的计算模拟，通过模拟可得到不同时间、不同流场位置的物理量[5]。
2．研究对象
本文的研究对象位于沈阳市的某大型商场，商场中庭的平面示意图如图1，其中整个商场共五层，地上建筑面积约为31000㎡，建筑高度约26.5m。
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图1 商场中庭平面示意图
图2所示为中庭部分几何模型，考虑到单个店铺相对封闭，对中庭部分的自然通风影响很小，故对室内步行街两侧的店铺做了简化。
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图2 商场中庭模型图
中庭顶部假定全部侧面均设有400mm（净）高度的可开启电动百叶，在自然通风模式时开启。当室内空气温度高于室外温度的时候，室外空气通过一层的主入口进入室内步行街，受热空气不断上升的过程中带走室内空间的热湿负荷，最后通过采光顶的百叶出口排出，如图3。
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图3 商场中庭开启百叶示意图
3．计算参数与输入条件
3.1气象条件
沈阳市气候类型属于温带大陆性季风气候，年平均气温为8.1℃，冬季寒冷，平均气温-9.1℃。夏季平均气温22.3℃。由《中国建筑热环境分析专用气象数据集》得到，沈阳市全年和夏季最多风向为南偏西22.5°（SSW）。
3.2边界条件
结合沈阳的气象资料，我们选择主导风向南偏西22.5º（SSW）、室外风速2.9m/s、过渡季典型温度18℃及设计工况下的计算热负荷（含人员、设备、照明热负荷及太阳热辐射等因素）80W/m2（中庭位置）和180W/m2（其他区域）作为边界条件，进行自然通风模拟分析。具体模拟分析边界条件设置如表1所示。
表1 自然通风模拟分析边界条件
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3.3数值模型
模拟三维可压缩流体流动的偏微分方程组是雷诺平均的Navier-Stocks（RANS）方程[6]。同时采用标准K-ε湍流模型来封闭RANS方程组，具体可表达为：
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在本分析中，湍流模型的常数采用标准值：
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。
4.分析结果
4.1人行高度处的分析结果
为了校核在过渡季典型工况下，中庭的自然通风效果，选取每层人员活动空间的人行高度处（1.5m）的空间，进行温度场和速度场的分析，图4分别列出了1层至5层人员活动空间的温度分布云图和速度分布云图。
由分析结果可知：
1）建筑主入口位置的平均风速最高约达3.0m/s以上，一层的其它人员活动区域的风速约在0.2～0.5m/s范围内，建筑主入口处的温度约为19℃，其它人员活动区域的温度约在21℃左右。说明中庭部分的一层人员活动区域在过渡季典型工况下的自然通风效果良好，能够达到设计温度的要求。
2）中庭部分二层人员活动区域的风速平均在0.1～0.35m/s之间，温度约在20～23℃之间，故中庭部分二层人员活动区域在过渡季典型工况下的自然通风效果能够满足设计温度的要求。
3）中庭部分二层人员活动区域的风速在0.1～0.35m/s之间，平均温度约在20～24℃之间。故中庭部分三层人员活动区域在过渡季典型工况下的自然通风效果能够满足设计温度的要求。
4）中庭部分四层人员活动区域的风速在0.1～0.4m/s之间，平均温度约在21～24℃之间。故中庭部分三层人员活动区域在过渡季典型工况下的自然通风效果能够满足设计温度的要求。
5）中庭部分四层人员活动区域的风速在0.1～0.4m/s之间，平均温度约在20～24℃之间，结果表明中庭部分五层人员活动区域在过渡季典型工况下的自然通风效果能够满足设计温度的要求。
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图4 一层至五层人员活动空间的温度和风速分析结果
4.2人行高度处的分析结果
由于中庭空间跨度较大，为了方便校核中庭自然通风效果，选择两个方向的剖面来查看速度场和温度场情况。具体剖面示意如图5。
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图5 商场中庭剖面示意图
以上两个剖面位置的温度分布云图和速度分布云图如图6。由分析结果可知：
1）从1-1剖面分析结果可知，中庭顶部电动百叶开启时，在出口位置均出现排风，出口处风速最高达约1.0 m/s以上。中庭空间大部分区域的温度在20～24℃范围内，上下部温差在5℃之间，表明中庭的设计有利于自然通风。室外空气从低层进入，通过中庭高处的出口排除，保证了建筑物进行内部换气，带走内部热量，从而能够减少空调系统运行时间和降低运行能耗。
2）由2-2剖面自然通风风速分布可以看出，除建筑主入口处风速较高外，其余各层区域的平均风速约在0.5m/s左右。模拟区域剖面的速度分布矢量图中的风速情况显示了较好的拔风效果，证明了中庭顶部的自然通风出口设计有利于过渡季的自然通风。
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图6 商场中庭剖面温度场和速度场分析结果
5．结论
本报告针对沈阳市的某典型商场中庭空间进行了自然通风的模拟分析，考察在过渡季期间，中庭空间依靠自然通风来降低空调能耗的潜力。从分析结果可以看出，当室外温度18℃，室外风速2.9m/s时，商场中庭的自然通风效果良好，通过顶部通风百叶的设计，形成了良好的通风效果，在绝大部分人员活动的区域，均能满足室内设计温度的要求。
由各自然通风的风速分布图可以看出，中庭部分人员活动区域没有出现无风区和强风区，风速基本保持在0.3m/s左右，因此不会给建筑物的使用人群带来风速不适宜引起的不适感。由各自然通风的温度分布图可得，在过渡季期间，中庭部分人员活动区域的温度约在20～24℃范围内，满足过渡季的自然通风需求。
结果表明在风压和热压的作用下，中庭高大空间显示了较好的拔风效果，保证了有效的自然通风效果，有利于减少空调运行时间和能耗。此分析为建筑师在商场设计中如何利用自然通风提供了有力的参考依据，并为暖通设计人员在空调设计过程中的风口排布和负荷计算，提供了参考。
参考文献：
[1] 刘畅，魏庆芃，吴序. 北方地区某高达中庭商场供暖优化[J]. 暖通空调HV&AC，2018，1（48）：151
[2] 赵林，李念平．住宅建筑中庭内自然通风的数值模拟[J]．科技导报，2009，27（2）.
[3] 邓巧林．具有中庭空间的高层住宅自然通风特性研究[D]．长沙：湖南大学，2007
[4] 张君瑛，吴喜平．夏季建筑中厅内热环境数值模拟及中庭外窗自然通风研究．流体机械，2008，36（3）：64-69.
[5] 管向阳，王勇，李雄威. 城市地下人行通道自然通风CFD模拟分析[J]. 建筑技术，2019. 5（50）：551.
[6] Rodi W. Turbulence models and their application in hydraulics，IAHR monograph series. Rotterdam：Balkema A A，1993
[7] Clifford M J，Everitt P J，Clarke R，et al. Using computational fluid dynamics as a design tool for naturally ventilated buildings. Building and Environment，1997，32（4）：305-312